擋水建筑物結構方案的研究比較

李傳名

（安徽省阜陽市水利規劃設計院 阜陽 236029）

具有擋水、泄水雙重作用的低水頭水工建筑物，最常見的有橡膠壩、水閘、底橫軸旋轉閘門。采取何種型式的結構，關系到投資、運行、管理、美觀及使用壽命的諸多方面，需要進行詳細的方案比選。

1 主要設計參數

阜陽市現代產業園區擋水建筑物位于下游河道、105國道上游處，主要功能是排澇及景觀蓄水。該建筑物控制流域面積58.28km2，河道底寬25m，邊坡1∶2.5；建筑物附近地面高程28.50m，河底高程23.00m，設計流量為123.53m3/s，其主要規劃數據見表1。

2 壩型方案的比較

在平原地區的河道，滾水壩一般適用于泄流量較小而擋水位較低的情況。當泄流量較大時，因受到壩頂以下不能過流的限制，為滿足過流量的需求往往使得壩體較長，與河道自身寬度極不相稱，也不經濟。對于本建筑物而言，因泄流量較大且壩體較高，顯然滾水壩是不適宜的。以下就底橫軸旋轉閘門和橡膠壩進行方案比選。

底橫軸旋轉閘門是近年來研究開發出的適應現代景觀需要的一種新型閘門，尤其適用于城市用水、景觀建設、市容環境整治工程中的大跨度河道中。橡膠壩于20世紀60年代中期開始在我國應用，是由高強度織物合成纖維受力骨架與合成橡膠構成，錨固在混凝土基礎底板上形成密封的壩袋，通過連接壩袋和充脹介質的管道及控制設備，用水（氣）將其充脹形成的袋式擋水壩。

兩種壩體擋水高度均能做到可升可降，壩高調節自如，溢流水深可控。均適用于河道截面寬度較大、水位差較小（5m以下）的工況。

底橫軸旋轉閘門的設計使用壽命為50年，使用中如能很好地保養維護還可以更長。而橡膠壩的使用壽命最長10～15年，且必須更換壩袋。前者投資雖然高于后者，但以前者的使用壽命，長期投入比后者遠高于前者。在行洪期間水流中難免有尖銳的漂浮物，橡膠壩容易受到這些物體的損壞，且在洪水過后遺留在壩袋上的各種殘骸給景觀帶來極大影響，運行管理單位每次都需人工進行擦洗，工作量較大。底橫軸旋轉閘門使用的是液壓啟閉機，正常只需3～5分鐘就可以完成啟閉，突發洪水時能及時泄洪。橡膠壩是通過充氣或充水來完成開關，需2～3小時才能完成一次開關，而且隨著使用次數和時間的增長，壩內及管道內會產生結垢，開關時間會更長。從設備運行可靠性方面而言，底橫軸旋轉閘門也優于橡膠壩。

綜合以上分析和比較，就本建筑物而言，底橫軸旋轉閘門較橡膠壩更為適宜。

3 閘、壩結構方案比較

3.1 方案一：開敞式水閘（5孔，單孔凈寬3.5m）

上游翼墻平面布置采用1/4圓弧式，墻身采用鋼筋混凝土扶壁式結構，均分為兩段，墻高6.3m，順水流方向長度為16.0m。上游鋪蓋采用鋼筋混凝土結構，順水流方向長度與翼墻同長。

閘室為開敞式結構，共分5孔，單孔寬度3.5m，閘底板頂面高程23.00m。閘室順水流方向長9.0m，垂直水流方向寬度22.9m，采用整體式平底板。底板厚0.7m，其下澆筑0.1m厚C10素混凝土墊層。閘墩為鋼筋混凝土實體墩，中墩厚1.0m，門槽處最小厚度0.5m，墩頂與閘頂同高，閘頂高程為28.70m。為改善水流形態，中墩上、下游端外形輪廓皆為半圓弧形。主閘門采用平面定輪鋼閘門，單面擋水，其平面尺寸寬×高＝4.02m×4.0m，配一臺QLSD2×100kN手電兩用螺桿式啟閉機，門、機各5套。主閘門槽尺寸為0.51m×0.25m，槽中心距閘室上游面4.605m。在主閘門槽上游1.5m處設置檢修門槽，尺寸為0.35m×0.25m，兩門槽間凈距能滿足一般檢修工作的需要。檢修門采用露頂式平面滑動鋼閘門，單面擋水，其平面尺寸寬高＝4.02m×1.8m，配一臺250kN電動葫蘆起吊，門、葫蘆各一套，葫蘆懸掛在I32a工字鋼上，后者設置在排架懸挑牛腿上。啟閉機臺采用鋼筋混凝土排架支承，排架底部現澆于閘墩上，頂高程為34.50m。啟閉機房寬3.5m，長22.9m，凈高2.8m，磚混結構。

下游翼墻在消力池段平面布置采用八字形，擴散角為7.67度，順水流方向長13.0m，墻身采用鋼筋混凝土扶壁式結構，墻高6.3～6.9m。岸坡段翼墻平面布置采用一字型，采用漿砌塊石重力式結構，均分為兩段，墻高分別為5.0m和3.1m。采用挖深式消力池，鋼筋混凝土結構，池深0.6m，池長13.0m。

3.2 方案二：底橫軸旋轉閘門（單孔，凈寬17.5m）

上游翼墻平面布置采用1/4圓弧式，墻身采用鋼筋混凝土扶壁式結構，均分為兩段，墻高6.3m，順水流方向長度為18.0m。上游鋪蓋采用鋼筋混凝土結構，順水流方向長度與翼墻同長。

壩體采用底橫軸旋轉閘門，其主要結構是由土建、門葉、底橫軸、液壓驅動、啟閉機室等組成。單孔，凈寬度17.5m，壩體底板頂面高程21.66m，門檻頂面高程23.00m（平河底）。壩體順水流方向長14.0m，垂直水流方向寬度27.5m，采用整體式平底板。底板厚1.76m（門檻處最大厚度3.1m），其下澆筑0.1m厚C10素混凝土墊層。邊墩為啟閉機室，鋼筋混凝土空箱式，四周側墻厚度均為0.7m，凈空尺寸為3.6m×12.6m。門檻順水流方向長2.4m，底軸中線距上游面3.1m。底軸采用20號鋼鋼材，規格為φ780×28。支鉸采用ZG30Mn鑄件，共7只。門葉采用Q235B鋼材，門體高度4.0m，厚度368mm（主梁為熱軋普通槽鋼，型號為36a）。啟閉機選用一臺QRWY液壓啟閉機，最大行程3.65m，持住力2×800kN，啟門力2×500kN。啟閉機室設液壓泵站2座，每座油泵配電動機組2套，互為備用，每臺電機配套功率為22kW。

表1 建筑物規劃數據表

表2 兩方案可比工程量及投資比較表

下游翼墻在消力池段平面布置采用八字形，擴散角為11.77度，順水流方向長18.0m，分為兩段，上游段長10.5m，下游段長7.5m。墻身采用鋼筋混凝土扶壁式結構，墻高6.3～6.9m。岸坡段翼墻平面布置采用一字型，采用漿砌塊石重力式結構，均分為兩段，墻高分別為5.0m和3.1m。采用挖深式消力池，鋼筋混凝土結構，池深0.6m，池長18.0m，分成兩段，分段長度同下游翼墻。

3.3 方案比較結果

兩方案可比工程量及投資比較見表2。

從表2可以看出，方案二比方案一高出216.21萬元。

方案一的優點：結構明確，受力條件清楚，無論設計、施工和管理，均有著非常成熟的理論和經驗；過閘流量隨著孔口開啟孔數和開啟度的大小容易確定，消能計算簡便；建筑物埋深和土方量較??；工程經費較省。缺點：技術上缺乏創新；閘室啟閉機層較高，啟閉機房因本身結構尺寸的限制，很難做出較好的造型，影響美感。

方案二的優點：技術上有創新，為新型產品；壩體啟閉機層較低，啟閉機房因較矮而不會影響觀瞻；鋼壩較為美觀，因中間沒有閘墩，氣勢宏闊，且能由壩頂溢流而形成瀑布美景，尤其適用于城市建設。缺點：下泄流量隨著開啟斜度的不同不容易計算和確定，初始管理期間需要管理單位自行積累經驗、統計分析以確定流量與開啟斜度的關系；消能計算復雜，目前國內外尚無明確的計算方法，所需消能設施工程量大于前者；建筑物埋深和土方量較大，工程經費較高。

結論：綜合以上分析和比較，就本建筑物而言，方案一優于方案二。

4 結語

底橫軸旋轉閘門適用于較寬的已有河道，尤其是城市中護砌的矩形河道。對于本建筑物而言，斷面寬度不大，又是新擴挖的梯形截面河道，造成該方案的優點不能得以發揮，且上、下游連接建筑物的尺寸因連接的需要而比開敞式水閘方案有較大增加。雖然該結構方案在本建筑物中未能使用，但今后在水利建設中一定會得到越來越多的應用